东华大学张耀鹏、牛欠欠团队《Int. J. Biol. Macromol.》：基于界面/离子极化调控的丝素蛋白基摩擦纳米发电机
摩擦纳米发电机（TENG）能够将机械能转化为电能，适用于自供电生物医学设备。生物基TENG因其良好的环境友好性、可再生性和生物相容性而受到广泛关注，但如何简便高效地提升其输出性能仍是该领域的研究热点。
近日，东华大学先进纤维材料全国重点实验室张耀鹏、牛欠欠团队报道了一种丝素蛋白基TENG，研究者分别向再生丝素蛋白（RSF）中引入组氨酸（His）制备RSFH膜、向丝素纳米带（SNR）中引入氯化锂（LiCl）制备SNRL膜，基于界面/离子极化机理，提升了TENG的输出性能（图1）。相关研究成果以题为"Biodegradable silk fibroin-based triboelectric nanogenerator with enhanced output regulated by interfacial and ionic polarization"发表于《Int. J. Biol. Macromol.》。论文第一作者为东华大学硕士研究生顾宇晨，共同通讯作者为张耀鹏研究员和牛欠欠讲师。
图1基于界面/离子极化调控的丝素蛋白基摩擦纳米发电机示意图
先前研究（Nano Energy, 2020, 74, 104837）证实：在摩擦接触过程中，RSF易得电子，SNR易失电子。本研究中，His与SF分子链之间形成氢键，增大了His的结晶区与SF非结晶区之间的边界，实现了界面极化，且His中的咪唑基易得电子，进而提升RSF膜的得电子能力；Li+破坏SF的氢键网络，并通过与SF中的羟基配位，促进了带电粒子的运动和极化基团重新定向，从而增强SNR膜的失电子能力（图2）。
图2（a-b）RSFH膜和SNRL膜的制备流程；（c）His中咪唑基正电荷的形成过程；（d）得失电子能力排序；（e-f）界面/离子极化示意图；（g-h）TENG及身体运动部位监测的示意图
上述结果表明：界面极化和离子极化增强了丝素蛋白的摩擦电性能，从而优化了TENG的输出性能。RSFH/SNRL-TENG的最大输出电压和功率密度分别为63.0 V和828.8 mW m-2，功率密度优于至今报道的全丝素基TENG和多数全生物基TENG（图3）。该TENG在体外可实现降解，能够监测人体不同的运动状态，有望作为自供电能源设备应用于可穿戴和可植入领域。
图3（a）使用线性电机产生相同作用力时RSF/SNR-TENG和RSFH/SNRL-TENG的输出电压；（b）RSFH/SNRL-TENG的峰值输出电压；（c）TENG输出电压与力大小的线性关系；（d）TENG的耐久性和稳定性；（e）TENG在不同负载电阻下的输出电压和功率密度；（f）本研究中TENG的功率密度与其他全降解生物基TENG的对比，其中，“SF”代表丝素蛋白，“NP”代表除丝素蛋白外的天然聚合物，“DSP”代表可降解合成聚合物
此工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、中国博士后科学基金和上海领军人才等项目的大力支持。部分工作完成于上海同步辐射光源BL15U线站。湘南学院附属医院曹群香副主任药师、东华大学范苏娜副研究员、姚响副研究员、博士生胡展翱和硕士生周兴陆、赵伟焜为共同作者。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.140832
